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Cientistas da Caltech revelam nova maneira de apagar erros de computadores quânticos

Computação Quântica Abstrata Qubits

Pesquisadores da Caltech desenvolveram uma borracha quântica para corrigir erros de “apagamento” em sistemas de computação quântica. Essa técnica, que envolve a manipulação de átomos alcalino-terrosos neutros em “pinças” de luz laser, permite a detecção e correção de erros por meio da fluorescência. A inovação leva a uma melhoria dez vezes maior nas taxas de emaranhamento em sistemas de átomos neutros de Rydberg, representando um passo crucial para tornar os computadores quânticos mais confiáveis ​​e escaláveis.

Os pesquisadores demonstraram com sucesso a identificação e remoção de erros de “apagamento” pela primeira vez.

Espera-se que os futuros computadores quânticos revolucionem a resolução de problemas em vários campos, como a criação de materiais sustentáveis, o desenvolvimento de novos medicamentos e a resolução de questões complexas da física fundamental. No entanto, estes sistemas quânticos pioneiros são atualmente mais propensos a erros do que os computadores clássicos que usamos hoje. Não seria bom se os pesquisadores pudessem simplesmente pegar uma borracha quântica especial e se livrar dos erros?

Reportagem no diário Natureza, um grupo de pesquisadores liderado pela Caltech está entre os primeiros a demonstrar um tipo de borracha quântica. Os físicos mostram que podem identificar e corrigir erros em Computação quântica sistemas conhecidos como erros de “apagamento”.

“Normalmente é muito difícil detectar erros em computadores quânticos, porque apenas o ato de procurar erros faz com que mais erros ocorram”, diz Adam Shaw, co-autor principal do novo estudo e estudante de pós-graduação no laboratório de Manuel Endres, um professor de física na Caltech. “Mas mostramos que, com algum controle cuidadoso, podemos localizar e apagar com precisão certos erros sem consequências, daí o nome apagamento.”

A Mecânica da Computação Quântica

Os computadores quânticos baseiam-se nas leis da física que governam o reino subatômico, como o emaranhamento, um fenômeno no qual as partículas permanecem conectadas e imitam umas às outras sem estarem em contato direto. No novo estudo, os pesquisadores se concentraram em um tipo de plataforma de computação quântica que utiliza matrizes de átomos neutros, ou átomos sem carga. Especificamente, eles manipularam átomos neutros alcalino-terrosos individuais confinados dentro de “pinças” feitas de luz laser. Os átomos foram excitados para estados de alta energia – ou estados “Rydberg” – nos quais os átomos vizinhos começam a interagir.

Ilustração de uma nova maneira de apagar erros de computador quântico

Embora os erros sejam normalmente difíceis de detectar em dispositivos quânticos, os pesquisadores mostraram que, com um controle cuidadoso, alguns erros podem fazer com que os átomos brilhem. Os pesquisadores usaram essa capacidade para executar uma simulação quântica usando um conjunto de átomos e um feixe de laser, conforme mostrado no conceito deste artista. O experimento mostrou que eles poderiam descartar os átomos brilhantes e errôneos e fazer a simulação quântica funcionar com mais eficiência. Crédito: Caltech/Lance Hayashida

“Os átomos do nosso sistema quântico conversam entre si e geram emaranhamento”, explica Pascal Scholl, o outro coautor principal do estudo e ex-bolsista de pós-doutorado na Caltech que agora trabalha em uma empresa de computação quântica na França chamada PASQAL.

O emaranhamento é o que permite que os computadores quânticos superem os computadores clássicos. “No entanto, a natureza não gosta de permanecer nestes estados quânticos emaranhados”, explica Scholl. “Eventualmente, acontece um erro que quebra todo o estado quântico. Esses estados emaranhados podem ser considerados cestos cheios de maçãs, onde os átomos são as maçãs. Com o tempo, algumas maçãs começarão a apodrecer e, se essas maçãs não forem retiradas da cesta e substituídas por outras frescas, todas as maçãs apodrecerão rapidamente. Não está claro como evitar totalmente que estes erros aconteçam, por isso a única opção viável hoje em dia é detectá-los e corrigi-los.”

Inovações em detecção e correção de erros

O novo sistema de detecção de erros foi projetado de tal forma que os átomos errados ficam fluorescentes, ou acendem, quando atingidos por um laser. “Temos imagens dos átomos brilhantes que nos dizem onde estão os erros, então podemos deixá-los de fora das estatísticas finais ou aplicar pulsos de laser adicionais para corrigi-los ativamente”, diz Scholl.

A teoria para implementar a detecção de apagamento em neutro átomo sistemas foi desenvolvido pela primeira vez por Jeff Thompson, professor de engenharia elétrica e de computação na Universidade de Princeton, e seus colegas. Essa equipe também relatou recentemente a demonstração da técnica na revista Natureza.

Ao remover e localizar erros em seu sistema de átomos de Rydberg, a equipe do Caltech afirma que pode melhorar a taxa geral de emaranhamento, ou fidelidade. No novo estudo, a equipe relata que apenas um em cada 1.000 pares de átomos não conseguiu se emaranhar. Isso representa uma melhoria de fator de 10 em relação ao que foi alcançado anteriormente e é a maior taxa de emaranhamento já observada neste tipo de sistema.

Em última análise, esses resultados são um bom presságio para plataformas de computação quântica que usam matrizes de átomos neutros Rydberg. “Os átomos neutros são o tipo de computador quântico mais escalável, mas não tinham fidelidades de alto emaranhamento até agora”, diz Shaw.

Referência: “Conversão de apagamento em um simulador quântico Rydberg de alta fidelidade” por Pascal Scholl, Adam L. Shaw, Richard Bing-Shiun Tsai, Ran Finkelstein, Joonhee Choi e Manuel Endres, 11 de outubro de 2023, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-023-06516-4

O estudo foi financiado pela National Science Foundation (NSF) através do Institute for Quantum Information and Matter, ou IQIM, com sede na Caltech; a Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa; um prêmio NSF CAREER; o Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea; os Institutos NSF Quantum Leap Challenge; o Acelerador de Sistemas Quânticos do Departamento de Energia; uma bolsa Taiwan – Caltech; e uma bolsa de pós-doutorado Troesh. Outros autores afiliados ao Caltech incluem o estudante de graduação Richard Bing-Shiun Tsai; Ran Finkelstein, Troesh Postdoctoral Scholar Research Associate em Física; e o ex-pós-doutorado Joonhee Choi, agora professor na Universidade de Stanford.



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